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QUALIFICAÇÃO DE SISTEMAS PARA OPERAÇÕES DE TAMPONAMENTO
EM ABANDONO DE POÇOS DE PETRÓLEO
Ingrid Ezechiello da Silva
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-graduação em Engenharia
Civil, COPPE, da Universidade Federal do
Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do t́ıtulo de Mestre em
Engenharia Civil.
Orientador: Romildo Dias Toledo Filho
Rio de Janeiro
Março de 2019
Silva, Ingrid Ezechiello da
Qualificação de sistemas para operações de
tamponamento em abandono de poços de petróleo/Ingrid
Ezechiello da Silva. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE,
2019.
XX, 182 p.: il.; 29, 7cm.
Orientador: Romildo Dias Toledo Filho
Dissertação (mestrado) – UFRJ/COPPE/Programa de
Engenharia Civil, 2019.
Referências Bibliográficas: p. 166 – 171.
1. Cimentação. 2. Abandono. 3. Poços. I.
Toledo Filho, Romildo Dias. II. Universidade Federal do
Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil.
III. T́ıtulo.
iii
Nós somos aquilo que fazemos
repetidamente. Excelência,
então, não é um modo de agir,
mas um hábito. Will Durant
iv
Agradecimentos
Primeiramente agradeço a Deus por me presentear com pais que sempre se es-
forçaram para proporcionar a mim e minhas irmãs uma educação de qualidade.
Agradeço a minha famı́lia por todo amor e apoio que tenho recebido durante toda
a minha vida. Pai, mãe, Michele e Gisele, obrigada por me ensinarem a ser uma
pessoa melhor e saber valorizar o que realmente é importante nessa vida.
Agradeço ao meu esposo, Pedro, que sempre esteve ao meu lado , me apoiando
nos momentos de desgaste e cansaço.
Agradeço ao meu filho Arthur que me presenteia todos os dias com sua alegria e
seu carinho. Obrigada por ser o melhor filho do mundo.
Agradeço as meus amigos do NUMATS por colaborarem para a conclusão deste
trabalho. Ao professor Romildo Toledo por sua orientação. À Vivian Louback pela
paciência, dedicação e discussões nas diversas reuniões ocorridas no andamento do
trabalho. À Bruna Luiza, Adáılton, Liuski e a todos que direta ou indiretamente
me ajudaram na realização dos ensaios deste trabalho.
Agradeço a Antonieta e Josimar do Centro de Tecnologia mineral (CETEM) pelo
aux́ılio na realização dos ensaios de DRX e MEV.
Agradeço à Petrobras por possibilitar a realização deste trabalho, ao Gilson
Campos, Cristina Aiex Simão, Cristiane Richard, Gabriella Sá Cavalcante, Robert
Lucien e a todos os técnicos do CENPES.
v
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
QUALIFICAÇÃO DE SISTEMAS PARA OPERAÇÕES DE TAMPONAMENTO
EM ABANDONO DE POÇOS DE PETRÓLEO
Ingrid Ezechiello da Silva
Março/2019
Orientador: Romildo Dias Toledo Filho
Programa: Engenharia Civil
O presente trabalho tem por objetivo qualificar os sistemas de tamponamento
para abandono de poços utilizando a metodologia proposta pela OIL & GAS UK
(2015). Foram estudadas quatro pastas de cimento Portland classe G e um sistema
de resina epóxi. As pastas convencional, expanśıvel e expanśıvel e flex́ıvel foram
estudadas para a utilização em cenários de operações de abandono de poços through-
tubing com flexitubo. O compósito de cimento Portland classe G com resina epóxi
o sistema apenas com resina epóxi foram avaliados para atualização em operações
de tamponamento convencional. Esta pesquisa foi dividida em duas etapas.
Na primeira etapa foi realizada a Caracterização dos sistemas. Foram rea-
lizados ensaios de determinação das propriedades reológicas, filtrado, fluido, li-
vre, sedimentação estática, tempo de espessamento, determinação da resistência
à compressão por pulso ultrassônico, aderência, retração/expansão e calorimetria
isotérmica.
A segunda etapa consistiu em avaliar a integridade dos sistemas a médio prazo
submetendo as amostras às condições de temperatura simuladas do poço e em con-
tato com o fluido de completação. O processo de envelhecimento foi realizado por
60 dias com as amostras imersas em solução de salmoura em banho térmico na
temperatura estática de fundo do poço (BHST).
Os sistemas tamponantes foram avaliados quanto às propriedades mecânicas,
f́ısicas, térmicas e de variação dimensional antes e após o processo de envelhecimento.
Finalmente, com o aux́ılio das técnicas de difração de raios-X, termogravimetria
e microscopia eletrônica de varredura, foi avaliada a influência da solução salina na
degradação do cimento Portland e da resina epóxi durante o processo de envelheci-
mento.
vi
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
QUALIFICATION OF PLUGGING SYSTEMS FOR THE ABANDONMENT OF
OIL AND GAS WELLS
Ingrid Ezechiello da Silva
March/2019
Advisor: Romildo Dias Toledo Filho
Department: Civil Engineering
The main objective of this work is to qualify the plugging systems for the aban-
donment of wells according to the Oil & Gas Guidelines. Four class G portland
cement pastes and an epoxy resin system were studied. The conventional, expand-
able and expandable and flexible pastes were studied to be used in scenarios of
coiled tubing abandonment wells operations. The composite of class G portland ce-
ment with resin and the resin only system were evaluated for conventional plugging
operations.
This research was divided into two stages. In the first stage the characteriza-
tion of the systems was performed. The tests were carried out to determine the
rheological properties of the pastes, fluid loss, free fluid, static sedimentation, thick-
ening time, development of compressive strength with ultrasonic pulse, adhesion,
shrinkage / expansion and isothermal calorimetry.
The second step consisted in evaluating the medium term integrity of the systems
under bottom-hole temperature simulated and in contact with well completion fluid.
The ageing process was carried out for 60 days with the samples immersed in in
thermal bath at the bottom-Hole static temperature of the well (BHST). Mechanical,
physical, thermal and dimensional variation were evaluated for plugging systems
before and after the ageing process.
Finally, the influence of the brine solution on the degradation of the Portland
cement matrix and resin, during the aging process, was evaluated supported by
X-ray, thermograpimetric and scanning electron microscopy.
vii
Sumário
Lista de Figuras xi
Lista de Tabelas xviii
1 Introdução 1
1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Objetivos Espećıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Revisão da Literatura 8
2.1 Cimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 Hidratação do Cimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 Aditivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Cimentação Primária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Cimentação Secundária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 Recimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2 Squeeze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Tamponamento de poços . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 Tampão Balanceado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.2 Tampão por Injeção Direta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.3 Dump Bailer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.4 Flexitubo em operações Through-tubing (TT) . . . . . . . . . 24
2.5Regulamentos e Diretrizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.1 Aspectos Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.2 API (American Petroleum Institute) . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.3 NORSOK STANDARD D-010 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.4 Oil&Gas - Guidelines for the Suspension and Abandonment
of Wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
viii
2.5.5 Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombust́ıveis
(ANP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5.6 Oil&Gas - Guidelines on Qualification of Materials for the
Suspension and Abandonment of Wells . . . . . . . . . . . . . 37
2.6 Procedimentos e Resultados Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . 42
3 Metodologia e Procedimentos Experimentais 55
3.1 Seleção dos Sistemas Estudados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.1 Abandono through-tubing (TT) com flexitubo . . . . . . . . . 55
3.1.2 Abandono Convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3 Procedimentos Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.1 Caracterização dos Sistemas Tamponantes . . . . . . . . . . . 69
3.3.2 Preparo, moldagem dos corpos de prova e cura das pastas . . 85
3.3.3 Estudo da Influência do Envelhecimento das amostras . . . . . 90
4 Resultados e Discussões 102
4.1 Caracterização dos sistemas tamponantes . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.1.1 Reologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.1.2 Filtrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.1.3 Fluido Livre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.1.4 Sedimentação Estática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.1.5 Tempo de Espessamento (TE) e Tempo de Bombeabilidade
(TB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1.6 Resistência à Compressão Não-Destrutivo . . . . . . . . . . . 109
4.1.7 Aderência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.1.8 Retração e Expansão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.1.9 Calorimetria Isotérmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2 Estudo da Influência do Envelhecimento nas Propriedades F́ısicas e
Térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.2.1 Propriedades F́ısicas (Permeabilidade à gás) . . . . . . . . . . 116
4.2.2 Propriedades térmicas (Expansão Térmica Diferencial) . . . . 118
4.2.3 Análise Termogravimétrica (TG/DTG) . . . . . . . . . . . . . 121
4.3 Estudo da Influência do Envelhecimento nas Propriedades Mecânicas
e Microestruturais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.3.1 Pasta Convencional (P72) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.3.2 Pasta Expanśıvel (P73) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.3.3 Pasta Flex́ıvel e Expanśıvel (P82) . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.3.4 Pasta de Cimento com Resina(P75) . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.3.5 Sistema de Resina Epóxi (P76) . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
ix
5 Conclusões 163
Referências Bibliográficas 166
A Anexos 172
A.1 Curvas tensão x deformação dos ensaios de compressão axial . . . . . 172
A.2 UCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
x
Lista de Figuras
1.1 Ilustração da cimentação primária nos anulares entre revestimentos e
formação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 Termograma da hidratação de um grão de alita (BULLARD et al.,
2011) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Curva calorimétrica da hidratação de uma pasta de cimento Portland. 12
2.3 Modelo de ataque de soluções de magnésio em materiais ciment́ıcios
(DE SOUZA, 2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 DTG da Portlandita, CH; brucita, MH, carbonato de magnésio e
calcita SCRIVENER et al. (2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Falhas comuns na cimentaçãoTHOMAS (2001) . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 Esquemático de uma operação com squeeze (COSTA, 2004). . . . . . 23
2.7 Regiões onde estão ocorrendo campanhas de abandono permanente
de poços (LEESON, 2015). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.8 Estimativa da produção final dos campos da Noruega NORWEGIAN
PETROLEUM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.9 Esquema de abandono permanente de poços (API Bulletin E3, 2018). 29
2.10 Exemplo de barreiras de segurança em abandono de poço (NORSOK
STANDARD-D010, 2012). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.11 Direções de fluxo que devem ser evitados por um elemento de barreira
de segurança (NORSOK STANDARD-D010, 2012). . . . . . . . . . . 32
2.12 Envelope de barreiras de segurança para operação de abandono per-
manente (OIL & GAS UK, 2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.13 Esquema simplificado do abandono de um poço (OIL & GAS UK,
2012). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.14 Esquema de um CSB permanente mostrando a restauração da
formação selante (IBP, 2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.15 Exemplo de abandono through-tubing (IBP, 2017). . . . . . . . . . . 36
2.16 Plano de trabalho para qualificação de material Tipo A (OIL & GAS
UK, 2015). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
xi
2.17 Requisitos f́ısicos para cimento Portland – classe G e CPP – classe
especial (ABNT NBR 9831, 2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.18 Impacto do MgO e CaO na expansão de pastas de cimento (MAZU-
ROK et al., 2017) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.19 Módulos de elasticidades das pastas flex́ıveis após envelhecimento
(SCHLUMBERGER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.20 Curva DTG da resina pura com e sem endurecedor (BALDISSERA
et al., 2017) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.21 Curva DTG do compósito cimento com resina com endurecedor (a) e
sem endurecedor (b) (BALDISSERA et al., 2017) . . . . . . . . . . . 51
2.22 Influência da temperatura na taxa de degradação da resina . . . . . . 52
2.23 Microscopia eletrônica de varredura da pasta de cimento com 20% de
resina epóxi (HALLIBURTON, 2015) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1 Ilustração de formação de microanular (WU et al., 2014). . . . . . . . 57
3.2 Influência do módulo de Young e expansão linear da pasta na vedação
de microanulares (SCHLUMBERGER, 2012). . . . . . . . . . . . . . 59
3.3 Fluxograma dos ensaios de caracterização dos sistemas estudados
para abandono de poços . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4 Fluxograma da metodologia utilizada para o estudo de envelheci-
mento das amostras endurecidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5 Tipos de Fluidos (PROCELAB, 2014). . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.6 Viscośımetro padrão FANN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7 Viscośımetro FYSA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.8 Tudo decantador bi-partido para ensaios de sedimentação (PROCE-
LAB, 2014). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.9 Moldagem dos corpos de prova para o ensaio de estabilidade. . . . . . 77
3.10 Ilustração esquemática da pesagem de uma seção imersa suspensa
pelo fio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.11 Consistômetro Pressurizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.12 Ultrassonic Cement Analyzer (UCA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.13 Partes dos moldes para o ensaio de aderência (PROCELAB, 2014). . 81
3.14 Ilustraçãodo ensaio de aderência na prensa hidráulica (PROCELAB,
2014). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.15 Célula de teste para o ensaio de retração e expansão . . . . . . . . . . 83
3.16 Medição da célula de teste (ISO 10426-5, 2004) . . . . . . . . . . . . 83
3.17 Curva t́ıpica de um ensaio de calorimetria isotérmica com os estágios
de hidratação de uma pastas de cimento (ROCHA, 2015). . . . . . . . 84
xii
3.18 Ensaio de calorimetria isotérmica: (a) Preenchimento da ampola com
a pasta; (b) Selagem da ampola; (c) Amostra pronta para ser inserida
no equipamento; (d) Colocação da ampola no equipamento. . . . . . . 85
3.19 Misturador Waring Blendor da Chandler . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.20 Moldagem dos corpos de prova 5 cm x 15 cm . . . . . . . . . . . . . . 87
3.21 Cura dos Corpos de prova em banho térmico (CENPES) à tempera-
tura de 174 ◦F (79 ◦C ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.22 Homogeneização do sistema de resina epóxi no misturador . . . . . . 89
3.23 Preenchimento dos moldes 5 cm x 15 cm o sistema de resina epóxi . . 89
3.24 Volume de sistema de resina a ser adicionada à pasta final e parte da
pasta base descartada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.25 Prensa Shimadzu para ensaios de compressão uniaxial . . . . . . . . . 92
3.26 (a) Prensa Shimadzu para ensaios de compressão, (b) Ensaio do
Corpo de prova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.27 Ensaio de determinação do coeficiente de dilatação térmica. (a) Equi-
pamento de teste; (b) Amostra prismática no interior do equipamento. 95
3.28 Pulverizador de amostras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.29 Quarteador de amostras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.30 Curva de TG de uma pasta de cimento com fator a/c = 0,50, curada
a 25°C por 14 meses (TAYLOR, 1997). . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.31 Equipamento utilizado para recobrir as amostras com ouro (BAL-
TEC SCD 005) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.32 Amostras recobertas com ouro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.1 Filtrado da pasta P75 indicando a presença de resina na base e topo
da proveta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2 Gráficos obtidos no UCA para determinação da resistência à com-
pressão no tempo das pastas P72, P73, P82 e P75. . . . . . . . . . . 109
4.3 Calor total acumulado das pastas de cimento em função do tempo de
hidratação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.4 evolução do fluxo de calor das pastas de cimento em função do tempo
de hidratação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.5 Coeficientes médios dos sistemas estudados antes e após o envelheci-
mento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.6 Curvas tensão versus deformação sob compressão da pasta P72 (antes
e após envelhecimento). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.7 (a) Modo de ruptura da pasta convencional após 14 dias de cura, (b)
Modos de ruptura da pasta convencional envelhecidas em solução de
salmoura por 60 dias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
xiii
4.8 Modos de ruptura dos corpos de prova após ensaio de resistência à
tração. (a) Antes do envelhecimento (P72B1), (b) Após envelheci-
mento (P72B2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.9 Difratogramas das amostras P72 antes do envelhecimento (P72B1) e
das amostras após o envelhecimento (P72B2). . . . . . . . . . . . . . 126
4.10 Curva de TG e DTG das amostras da pasta 72 antes e após envelhe-
cimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.11 (a) Morfologia da pasta P72B1, (b) Morfologia da pasta P72B2, (c)
Cristais em formato de fitas da pasta P72B2 e (d) Placas de Portlan-
dita sobre o grão não hidratado da pasta P72B2. . . . . . . . . . . . . 130
4.12 Espectro de EDS da região assinalada. . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.13 Curvas tensão versus deformação sob compressão da pasta P73 (antes
e após envelhecimento). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.14 (a) Modo de ruptura da pasta expanśıvel após 14 dias de cura, (b)
Modos de ruptura da pasta expanśıvel envelhecidas em solução de
salmoura por 60 dias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.15 Deposição de sal na superf́ıcie dos corpos de prova da pasta expanśıvel
envelhecido em solução de salmoura por 60 dias . . . . . . . . . . . . 133
4.16 Microfissuras na superf́ıcie dos corpos de prova da pasta expanśıvel
(envelhecido em solução de salmoura por 60 dias) (a) e aspecto esfa-
relado após o ensaio de compressão uniaxial (b) . . . . . . . . . . . . 133
4.17 Modo de ruptura dos corpos de prova após ensaio de resistência à
tração do sistema P73B2 (após o envelhecimento). . . . . . . . . . . . 134
4.18 Difratogramas das amostras P73 antes do envelhecimento (P73B1) e
das amostras após o envelhecimento (P73B2). . . . . . . . . . . . . . 135
4.19 Curva de TG e DTG das amostras da pasta 73 antes e após envelhe-
cimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.20 (a) Morfologia da pasta P73B1 com placas de etringita, fibras de
C-S-H e agulhas de etringita, (b) Morfologia da pasta P73B2 com
formação de brucita, (c) Placas de Portlandita contornada por fibras
de C-S-H da pasta P73B2 e (d) Aspecto mais denso na morfologia da
pasta envelhecida, (e) Monossulfoaluminato de cálcio em formato de
rosa da pasta P73B2 (f) Imagem da etringita aproximada. . . . . . . 139
4.21 (a) Resistência à compressão das amostras brancas de pasta flex́ıvel,
(b) Resistência à compressão da pasta flex́ıvel envelhecidas em solução
de salmoura por 60 dias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.22 Curvas tensão versus deformação sob compressão da pasta P82 (antes
e após envelhecimento). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
xiv
4.23 Microfissuras na superf́ıcie dos corpos de prova da pasta expanśıvel
(envelhecido em solução de salmoura por 60 dias) (a) e aspecto esfa-
relado após o ensaio de compressão uniaxial (b) . . . . . . . . . . . . 143
4.24 Modo de ruptura dos corpos de prova após ensaio de resistência à
tração do sistema P82B1 (antes do envelhecimento). . . . . . . . . . . 143
4.25 Difratogramas das amostras P82 antes do envelhecimento curadas por
14 dias em banho térmico e das amostras após o envelhecimento por
60 dias em solução de salmoura a 66°C . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.26 Curva de TG e DTG das amostras da pasta 82 antes e após envelhe-
cimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.27 (a) e (b) Morfologia da pasta P82B1; (c) e (d) Posśıvel óxido de cálcio
magnésio; (c) e (d). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.28 (a) Morfologia da pasta P82B2; (b) C-S-H no interior do poro; (c)
aproximação da imagem dos elementos cinza escuro presentes na ma-
triz de cimento e sua respectiva análise de EDS em (e); (d) Presença
de C-S-H na amostra envelhecida com sua análise de EDS em (d). . . 149
4.29 (a) Resistência à compressão das amostras brancas de pasta de resina
com cimento, (b) Resistência à compressão da pasta de resina com
cimento envelhecidas em solução de salmoura por 60 dias . . . . . . 150
4.30 Curvas tensão versus deformação sob compressão da pasta P75 (antes
e após envelhecimento). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.31 Modos de ruptura dos corpos de prova após ensaio de resistência à
tração da pasta P75B1 (sem envelhecimento). . . . . . . . . . . . . . 151
4.32 Difratogramas das amostras P75 antes do envelhecimentocuradas por
14 dias em banho térmico e das amostras após o envelhecimento por
60 dias em solução de salmoura a 66°C. . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.33 Curva de TG e DTG das amostras da pasta 75 antes e após envelhe-
cimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.34 (a) Morfologia da pasta P75B1; (b) Morfologia da pasta P75B1; (c)
Grão de Resina esférica inserida na matriz pasta P75B1; (d) Por-
tlandita no interior de um poro rodeada por ”floresta”de fibras de
C − S −H e etringita. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.35 Morfologia da pasta P75B2, (b) Morfologia da pasta P75B2, (c) Śılica,
resina e placas de portlandita e (d) Grão de śılica da pasta P75B2. . 157
4.36 (a) Resistência à compressão das amostras brancas de pasta de re-
sina, (b) Resistência à compressão da pasta de resina envelhecidas
em solução de salmoura por 60 dias . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
xv
4.37 (a) Modo de ruptura do sistema de resina epóxi após 14 dias de cura,
(b) Modos de ruptura do sistema de resina epóxi envelhecidas em
solução de salmoura por 60 dias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.38 Modos de ruptura dos corpos de prova após ensaio de resistência à
tração. (a) P76B1, (b) P76B2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.39 Difratogramas das amostras P76 antes do envelhecimento (P76B1) e
das amostras após o envelhecimento (P76B2). . . . . . . . . . . . . . 160
4.40 Curva de TG e DTG das amostras da pasta 76 antes e após envelhe-
cimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.41 (a) Morfologia da pasta P76B1; (b) Morfologia da pasta P76B2; (c)
EDS da do sistema P76B1 e (d)EDS da do sistema P76B2. . . . . . . 162
4.42 (a) Cristal de NaCl e a sua respectiva análise por EDS. . . . . . . . . 162
A.1 Curva tensão x deformação do ensaio de resistência à compressão da
pasta convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
A.2 Curva tensão x deformação do ensaio de resistência à compressão da
pasta convencional envelhecidas em solução de salmoura por 60 dias 173
A.3 Curva tensão x deformação do ensaio de resistência à compressão da
pasta expanśıvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
A.4 Curva tensão x deformação do ensaio de resistência à compressão da
pasta expanśıvel envelhecidas em solução de salmoura por 60 dias . . 174
A.5 Curva tensão x deformação do ensaio de resistência à compressão da
pasta flex́ıvel e expanśıvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
A.6 Curva tensão x deformação do ensaio de resistência à compressão da
pasta flex́ıvel e expanśıvel envelhecidas em solução de salmoura por
60 dias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
A.7 Curva tensão x deformação do ensaio de resistência à compressão da
pasta de cimento com resina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
A.8 Curva tensão x deformação do ensaio de resistência à compressão da
pasta de cimento com resina envelhecidas em solução de salmoura por
60 dias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
A.9 Curva tensão x deformação do ensaio de resistência à compressão do
sistema com resina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
A.10 Curva tensão x deformação do ensaio de resistência à compressão do
sistema com resina epóxi envelhecidas em solução de salmoura por 60
dias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
A.11 Gráfico de resistência à compressão não destrutivo da pasta P72 -
amostra 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
xvi
A.12 Gráfico de resistência à compressão não destrutivo da pasta P72 -
amostra 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
A.13 Gráfico de resistência à compressão não destrutivo da pasta P72 -
amostra 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
A.14 Gráfico de resistência à compressão não destrutivo da pasta P73 . . . 179
A.15 Gráfico de resistência à compressão não destrutivo da pasta P82 -
amostra 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
A.16 Gráfico de resistência à compressão não destrutivo da pasta P82 -
amostra 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
A.17 Gráfico de resistência à compressão não destrutivo da pasta P82 -
amostra 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
A.18 Gráfico de resistência à compressão não destrutivo da pasta P75-
amostra 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
A.19 Gráfico de resistência à compressão não destrutivo da pasta P75 -
amostra 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
A.20 Gráfico de resistência à compressão não destrutivo da pasta P75 -
amostra 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
xvii
Lista de Tabelas
2.1 Composição Mineralógica do Cĺınquer de Cimento Portland. . . . . . 9
2.2 Composição dos principais produtos hidratados. . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Diretrizes nacionais e internacionais para operações de abandono de
poços. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 Tipos de barreira de segurança NORSOK STANDARD-D010 (2012). 31
2.5 Tipos de materiais tamponantes (OIL & GAS UK, 2015) . . . . . . . 39
2.6 Propriedades das pastas estudadas (JAMES et al., 2010) . . . . . . . 46
2.7 Leituras reológicas da resina epóxi (AL-YAMI et al., 2018b). . . . . 52
2.8 Propriedades mecânicas das pastas curadas à 168°F e 3000 psi AL-
YAMI et al. (2018b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1 Rampa temperatura e pressão para a colocação da pasta . . . . . . . 56
3.2 Rampa temperatura e pressão para cura da pasta . . . . . . . . . . . 56
3.3 Dosagem da Pasta Convencional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4 Dosagem da Pasta Expanśıvel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5 Composição dos sólidos da mistura (Blend). . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6 Dosagem da Pasta Flex́ıvel e Expanśıvel. . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.7 Rampa temperatura e pressão para a colocação da pasta . . . . . . . 61
3.8 Rampa temperatura e pressão para cura da pasta . . . . . . . . . . . 61
3.9 Composição do sistema de resina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.10 Dosagem da Pasta de cimento com resina. . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.11 Rampa de temperatura para determinação dos parâmetros reológicos
a 153°F (67°C). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.12 Rampa de temperatura para determinação dos parâmetros reológicos
a 120°F (49°C). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.13 Rampa de temperatura para o condicionamento das pastas para en-
saios de sedimentação para abandono TT . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.14 Rampa de temperatura para o condicionamento das pastas para en-
saios de sedimentação para abandono Convencional . . . . . . . . . . 76
3.15 Composição Qúımica da Solução de Salmoura . . . . . . . . . . . . . 91
3.16 Fases identificadas e posições aproximadas dos picos mais intensos. . . 98
xviii
4.1 Resultados dos ensaios de reologia a 27°C/80°F . . . . . . . . . . . . 103
4.2 Resultados dos ensaios de reologia a 67°C/153°F . . . . . . . . . . . . 103
4.3 Resultados dos ensaios de reologia a 49°C/120°F . . . . . . . . . . . . 104
4.4 Resultados dos ensaios de filtrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.5 Resultados dos ensaios de fluido livre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.6 Resultados dos ensaios de sedimentação estática . . . . . . . . . .. . 107
4.7 Resultados dos ensaios de tempo de espessamento e bombealibidade. 108
4.8 Resultados dos ensaios de tempo de espessamento e bombealibidade . 109
4.9 Massa de cimento Portland em 600 mL de pasta. . . . . . . . . . . . 110
4.10 Resultados dos ensaios de Aderência . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.11 Resultados dos ensaios de Retração e Expansão . . . . . . . . . . . . 112
4.12 Duração e fluxo de calor no peŕıodo de indução . . . . . . . . . . . . 114
4.13 Duração e fluxo de calor no peŕıodo de aceleração . . . . . . . . . . . 115
4.14 Resultados dos ensaios de permeabilidade à gás da pasta convencional.116
4.15 Resultados dos ensaios de permeabilidade à gás da pasta expanśıvel . 116
4.16 Resultados dos ensaios de permeabilidade à gás da pasta expanśıvel
e flex́ıvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.17 Resultados dos ensaios de permeabilidade à gás da pasta de cimento
com resina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.18 Resultados dos ensaios de permeabilidade à gás do sistema de resina
epoxi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.19 Coeficientes de dilatação térmica dos sistemas antes e após o envelhe-
cimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.20 Teor de massa residual por Termogravimetria . . . . . . . . . . . . . 122
4.21 Resultados dos ensaios de resistência à compressão da pasta conven-
cional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.22 Resistência à compressão diametral da pasta convencional- P72 . . . 125
4.23 Quantificação cristalino-amorfo da pasta convencional antes e após o
envelhecimento (T%). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.24 Perda de massa por Termogravimetria da pasta P72 . . . . . . . . . . 128
4.25 Resultados dos ensaios de resistência à compressão da pasta expanśıvel132
4.26 Resistência à compressão diametral dos sistemas estudados . . . . . . 134
4.27 Quantificação cristalino-amorfo da pasta expanśıvel antes e após o
envelhecimento (T%). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.28 Perda de massa por Termogravimetria da pasta P73 . . . . . . . . . . 137
4.29 Resultados dos ensaios de resistência à compressão da pasta flex́ıvel . 140
4.30 Resistência à compressão diametral dos sistemas estudados . . . . . . 143
4.31 Quantificação cristalino-amorfo da pasta flex́ıvel e expanśıvel antes e
após o envelhecimento (T%). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
xix
4.32 Perda de massa por Termogravimetria da pasta P82 . . . . . . . . . . 147
4.33 Resultados dos ensaios de resistência à compressão da pasta de ci-
mento resina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.34 Resistência à compressão diametral dos sistemas estudados . . . . . . 151
4.35 Quantificação cristalino-amorfo da pasta de cimento com resina epóxi
antes e após o envelhecimento (T%). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.36 Resultados dos ensaios de resistência à compressão da pasta de resina 158
4.37 Resistência à compressão diametral dos sistemas estudados . . . . . . 159
xx
Caṕıtulo 1
Introdução
1.1 Motivação
O ciclo de vida de um poço de petróleo compreende as etapas de construção,
produção e abandono. A etapa inicial consiste na construção propriamente dita
do poço e é dividida nas fases de perfuração e completação. A fase de produção
inicia-se com a interligação do poço à unidade de produção (UEP) onde se realiza
o escoamento e processamento do óleo/gás. Durante a fase de produção são rea-
lizadas operações de manutenção dos poços (workover) e estimulação de aumento
da produção. Entretanto, mesmo após as tentativas de recuperação da produção, o
poço passa a não ter produtividade que justifique sua operação tornando necessário
seu abandono, nesse caso permanente.
Independentemente da etapa do ciclo de vida, as operações de cimentação são re-
queridas em todas as suas etapas. Durante a construção são necessárias cimentações
primárias, onde a pasta de cimento é deslocada pelo anular e posicionada entre o
espaço anular do revestimento anterior com a formação ou entre o anular do reves-
timento com o revestimento anterior com objetivo de garantir o isolamento, a longo
prazo e desta forma, manter a integridade do poço (figura 1.1).
1
Figura 1.1: Ilustração da cimentação primária nos anulares entre revestimentos e
formação
Durante a fase de produção podem ser necessárias as operações de correção de
cimentação para manutenção do isolamento hidráulico, por exemplo. As operações
de abandono de poços podem ser realizadas durante a vida produtiva do poço (aban-
dono temporário) ou no final de sua vida produtiva (abandono permanente). São
considerados abandonos temporários poços produtores ou injetores que estejam com-
pletados mas que estão aguardando o ińıcio da produção/injeção e os poços em
produção que, por algum motivo, devem ser fechados. Os poços produtores que
estão no fim da vida produtiva deverão ser abandonados permanentemente. O ob-
jetivo da operação de abandono de poços é garantir o isolamento dos intervalos de
reservatórios que apresentem potencial de fluxo, atual e futuro, ou seja, proporcionar
o isolamento entre os diferentes intervalos permeáveis e impedir a contaminação de
aqúıferos, pela migração de fluidos entre as formações, seja pelo poço ou pelo anular
revestimento-formação, e a migração de fluidos para a superf́ıcie (ANP, 2016) .
Para uma operação de abandono de poço deverá ser estabelecido pelo menos
um Conjunto Solidário de Barreiras (CSB). O CSB é um conjunto de um ou mais
elementos do poço que atuam como barreira de segurança para impedir o fluxo não
2
desejado de fluidos da formação para o meio ambiente ou entre diferentes intervalos
no poço, considerando todos os caminhos posśıveis (ANP, 2016).
As operações de tamponamento do poço devem ser realizadas para se estabele-
cer um elemento de barreira de um CSB. O CSB permanente tem por filosofia a
restauração da vedação original provida pelas formações selantes. Na base do CSB
permanente deve haver uma formação competente, impermeável e sem potencial de
fluxo que evite a migração de fluidos no caminho formação. Deve ser assegurado que
os anulares cimentados de tubulações metálicas e o tampão de cimento posicionado
na tubulação de menor diâmetro ou no poço aberto atuem para evitar o fluxo no
interior do poço.
Para que não ocorram problemas ambientais e perdas materiais e de vida, os
poços devem ser abandonados adequadamente, ou seja, sem ocorrência de falhas no
CSB. A falha de uma barreira pode ocorrer devido a perda da integridade da bainha
de cimento, colocação inadequada dos tampões, uso de materiais inadequados ou
pode ser causada por fraturas (naturais ou impostas).
O objetivo da operação de abandono permanente de poços (P&A, do inglês (Plug
and Abandonment)) é “restaurar a rocha capeadora” que se encontrava no poço antes
de sua perfuração (OIL & GAS UK, 2015)
A qualidade e o desempenho de uma operação de (P & A) dependem direta-
mente do tipo de material utilizado e da técnica de colocação dos tampões. A pasta
de cimento ou outro material com caracteŕısticas similares podem ser utilizadas
em operações de tamponamento do poço e atuam como elemento de CSB quando
endurecidas. As barreiras de um CSB podem ser classificadas como barreiras ci-
ment́ıcias ou mecânicas. Deve-se notar que barreiras mecânicas são usadas como
barreiras temporárias de P&A e não são permitidas como barreiras permanentes
(KHALIFEH et al., 2013).
Desta forma, os tampões de pasta de cimento ou misturas ciment́ıceas(blends)
utilizados em operações de abandono de poços devem possuir propriedades f́ısicas,
qúımicas e mecânicas capazes de garantir a integridade e isolamento do poço durante
o tempo em que o poço estará abandonado ou durante sua vida útil. Os materiais
tamponantes utilizados nestas operações devem ser projetados a fim de evitar a
migração de fluidos e a retração da pasta que podem formar microanulares e fissuras,
além de garantir uma boa aderência entre o revestimento/formação. Também devem
possuir propriedades reológicas adequadas para garantir a operacionalidade durante
o seu bombeio para o interior do poço. De acordo com VRÅLSTAD et al. (2016)
os materiais tamponantes devem garantir sua integridade e isolamento hidráulico,
a longo prazo, para que sejam utilizados em operações de P&A. Com isso, esses
materiais devem resistir aos efeitos das componentes qúımicos que podem estar
presentes no poço (CO2, H2S, etc) e devem suportar às condições de temperatura e
3
pressão do poço.
Portanto, as pastas de cimento ou outro material tamponante devem ser projeta-
dos para se obter propriedades espećıficas tanto no estado ĺıquido quanto no estado
sólido (após a cura). Nesse contexto, as seguintes caracteŕısticas são exigidas para
se realizar um projeto de pasta para uma operação de abandono de poço.
� Ser bombeável durante a colocação da pasta sob condições de poço;
� Atender a janela operacional, ou seja, a massa espećıfica da pasta deve garantir
que a pressão frente a formação seja maior que a pressão de poros e menor do
que a pressão de fratura;
� Apresentar estabilidade, ou seja, os constituintes da pasta não podem segregar
em situação de repouso;
� Apresentar tempo de espessamento suficiente para se realizar o bombeio da
pasta até a posição desejada;
� O tempo de desenvolvimento da resistência da pasta deve ser suficiente para
se posicionar a pasta no poço e retomar a operação;
� Manter a aderência mecânica ao revestimento e formação;
� Manter isolamento das formações, ou seja, deve possuir baixa permeabilidade;
� Possuir propriedades mecânicas resistentes às condições de temperatura e
pressão do fundo do poço e às variações de tensão que ocorrem durante a
vida útil do poço.
O material mais utilizado como tampão de abandono, que atua como barreira
de segurança permanente no poço, é a pasta de cimento Portland e sua ampla uti-
lização pode ser explicada pelo seu baixo custo e grande disponibilidade no mercado
(VRÅLSTAD et al., 2016).
Segundo a OIL & GAS UK (2015) a pasta de cimento é utilizada como material
de tamponamento de poços devido as suas caracteŕısticas, após endurecida, simi-
lares a rocha de origem do poço. Entretanto, a pasta de cimento possui algumas
limitações operacionais que podem comprometer a sua utilização em operações de
P&A. Segundo BEHARIE et al. (2015) a pasta de cimento convencional (cimento,
água e aditivos) nem sempre resiste aos esforços mecânicos do poço e nem sempre
atendem aos requisitos de deslocamento e colocação da pasta em um poço. Ge-
ralmente, a pasta convencional falha em atuar como barreira permanente e muitos
poços que foram anteriormente abandonados estão apresentado fluxo indesejado de
fluidos.
4
A pasta de cimento, para tamponamento de poços, pode ser utilizada pura (mis-
tura de cimento com água) ou pode ser adicionado aditivos à pasta com a finalidade
de modificar ou melhorar o seu desempenho (VRÅLSTAD et al., 2016).
A integridade a longo prazo da pasta de cimento tem sido estudada em diversas
situações de aplicações, simulando condições de poço em cenários espećıficos. En-
tretanto, segundo VRÅLSTAD et al. (2016), os poucos resultados obtidos nesses
estudos não foram suficientes para comprovar a integridade da pasta. Portanto, no-
vos materiais tamponantes estão sendo desenvolvidos a fim de garantir a integridade
do isolamento dos poços abandonados e aumentar a confiabilidade do sistema.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo Geral
A pesquisa tem como objetivo principal qualificar cinco sistemas tamponantes utili-
zados em operações de abandono de poços segundo os critérios de aceitação encon-
trados na literatura para as operações de abandono de poços de petróleo e conforme
recomendações das diretrizes nacionais e internacionais sobre materiais de tampo-
namento.
As pastas serão avaliadas por meio de caracterização experimental para preencher
as lacunas de conhecimento verificado na literatura. Serão estudadas as proprieda-
des f́ısico-qúımica, mecânicas e térmicas dos cinco sistemas tamponantes após cura
térmica dos corpos de prova e também depois de seu envelhecimento por contato
com solução salina por 60 dias, com o propósito de verificar a influência da solução
salina nas propriedades avaliadas. Foi escolhida como pasta de referência a pasta
convencional que é o sistema de pasta atualmente utilizado pela PETROBRAS na
maioria de suas operações de tamponamento. A caracterização da pasta em seu es-
tado fluido foi realizada conforme os procedimentos de ensaio e critérios de aceitação
do PROCELAB (2014). O plano experimental adotado nesta pesquisa para os en-
saios realizadas no estado endurecido ou durante o endurecimento da pasta, assim
como a condição de envelhecimento das amostras e os critérios de aceitação, fo-
ram definidos conforme o regulamento de qualificação de materiais para suspensão e
abandono de poços do Reino Unido (OIL & GAS UK, 2015). Este regulamento é o
único dispońıvel na indústria de petróleo que contempla todos os testes necessários
para qualificar um sistema tamponante.
1.2.2 Objetivos Espećıficos
� Caraterização dos sistemas tamponantes no estado fresco, em endurecimento
e endurecido por meio dos ensaios de determinação dos parâmetros reológicos,
5
filtrado, fluido livre, sedimentação estática, tempo de espessamento, Ultras-
sonic Cement Analyser (UCA), aderência, retração/expansão e calorimetria
isotérmica;
� Envelhecimento dos cinco sistemas em solução salina;
� Análise de desempenho dos sistemas tamponantes sem envelhecimento e enve-
lhecidos para verificação da adequação das propriedades dos sistemas de pastas
para utilização em operações de abandono de poços por meio dos ensaios de:
- Determinação das propriedades mecânicas dos sistemas tamponantes por
meio dos ensaios laboratoriais de resistência à compressão axial, resistência à
tração por compressão diametral e aderência ;
- Determinação dos coeficientes de expansão térmica dos sistemas;
- Análise microestrutural dos sistemas tamponantes mediante o uso de
técnicas como TG /DTG e DRX;
- Análise microestrutural das amostras fraturadas com aux́ılio do MEV.
1.3 Organização do Trabalho
O presente trabalho foi dividido em cinco caṕıtulos que incluem a Introdução e as
Conclusões. Além de possuir as Referências Bibliográficas e Anexos.
O Caṕıtulo 1: Este caṕıtulo disserta sobre as preocupações da indústria com o
abandono permanente de um poço de petróleo e a necessidade de se definir um sis-
tema de pasta adequado para realizar as operações de tamponamento considerando-
se a integridade do poço a longo prazo. Neste caṕıtulo também são apresentadas a
motivação da pesquisa, os seus objetivos e estrutura do trabalho.
No Caṕıtulo 2: Foram apresentadas as propriedades do Cimento Portland e al-
guns aditivos qúımicos utilizados nas formulações das pastas de cimento. Neste
caṕıtulo também se encontra um resumo dos tipos operações de cimentação e tam-
ponamento de poços e um resumo das principais recomendações da indústria de
Petróleo nacional e internacional acerca dos procedimentos para operação de aban-
dono e os requisitos necessários para que os materiais tamponantes sejam utilizados
para isolamento hidráulico. Porfim, foi realizado um levantamento das pesquisas
realizadas, mais recentemente, sobre os sistemas de pastas estudados neste trabalho.
No Caṕıtulo 3: Neste caṕıtulo, foram detalhadas as caracteŕısticas dos sistemas
de pastas selecionados para essa pesquisa assim como a metodologia definida para
o estudo e os procedimentos experimentais realizados. São descritas as técnicas
adotadas para as análises e o desenvolvimento dos ensaios.
6
No Caṕıtulo 4: São apresentados e analisados os resultados obtidos experimen-
talmente.
O Caṕıtulo 5: Apresenta as conclusões obtidas da análise dos resultados do
estudo, assim como sugestões para trabalhos futuros.
Nas Referências bibliográficas é posśıvel localizar a bibliografia citada nesta dis-
sertação.
Nos anexos, estão resultados gráficos dos ensaios UCA e resistência à compressão.
7
Caṕıtulo 2
Revisão da Literatura
2.1 Cimento
O tipo de cimento usualmente utilizado em operações de cimentação de poços de
petróleo é o cimento Portland classe G e H. Os cimentos pertencem à classe de ma-
teriais denominados aglomerantes hidráulicos, pois endurecem quando misturados
com a água e resistem a esta após endurecido. O cimento Portland é obtido pela
moagem do cĺınquer do cimento Portland com adição, durante a moagem, de pe-
quena quantidade de sulfato de cálcio para regular o tempo do ińıcio de hidratação
dos componentes. O cĺınquer do cimento Portland é um produto granulado, obtido
por tratamento térmico até o abrandamento e sinterização de mistura adequada de
calcário e argila JAMES et al. (2010). É constitúıdo na sua maior parte por silicatos
(75%) e em proporções menores, de aluminatos e ferro-aluminatos cálcicos, dosados
de maneira a constituir uma proporção conveniente de cal (CaO), śılica (SiO2) e
de proporções menores de alumina (Al2O3) e oxido de ferro (Fe2O3) (NELSON e
GUILLOT, 2006).
2.1.1 Hidratação do Cimento
Quando o cimento Portland é adicionado à água ocorrem várias reações qúımicas
entre os minerais do cĺınquer e o sulfato de cálcio. A mistura é transformada ir-
reversivelmente em um produto endurecido com considerável resistência mecânica
e baixa permeabilidade. As cinéticas das reações de hidratação do cimento são
influenciadas por diversos fatores, como por exemplo: a composição das fases do
cimento, os diferentes tipos ı́ons presentes, granulometria do cimento, razão água /
cimento, temperatura e o uso de aditivos qúımicos. As reações de pega e endureci-
mento do cimento são muito complexas, pois o cimento é uma mistura heterogênea
de vários compostos que se hidratam mais ou menos independentemente, dando
origem aos compostos hidratados responsáveis pelas propriedades aglomerantes do
8
cimento. Serão utilizadas nessa dissertação as notações das tabelas 2.1 e 2.2:
Tabela 2.1: Composição Mineralógica do Cĺınquer de Cimento Portland.
Composição do óxido Simplificação Nomenclatura
3CaO.SiO2 C3S Alita
2CaO.SiO2 C2S Belita
3CaO.Al2O3 C3A Aluminato
4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF Ferrita
Tabela 2.2: Composição dos principais produtos hidratados.
Composição do óxido Simplificação Nomenclatura
3CaO.2SiO2.3H2O C-S-H Silicato de cálcio hidratado
Ca(OH)2 CH Hidróxido de cálcio (Portlandita)
6CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O C3A.3CS̄H32 Trissulfoaluminato de cálcio (etringita)
4CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O 3C3A.CS̄.12H Monossulfoaluminato de cálcio (AFm)
Como as reações de hidratação do cimento são exotérmicas é posśıvel distinguir
as etapas do processo de hidratação por meio da quantidade de calor liberado em
cada etapa da reação qúımica.
A reação de hidratação do grão de alita, C3S, ocorre em quatro etapas
� I – Reação Inicial,
� II – Peŕıodo de reação lenta (dormência),
� III –Peŕıodo de Aceleração,
� IV – Peŕıodo de Desaceleração,
A taxa de calor liberada em cada peŕıodo de hidratação da pasta está ilustrado
na figura 2.1.
9
Figura 2.1: Termograma da hidratação de um grão de alita (BULLARD et al., 2011)
O peŕıodo de reação inicial é caracterizado por uma rápida reação entre o C3S
e a água que ocorre assim que o cimento entra em contato com a água. A reação
inicial é exotérmica e libera uma grande quantidade de calor inicial. Parte desse
calor liberado está associado a dissolução do C3S que ocorre nos segundos iniciais
após o contato da água com o cimento.
Depois do peŕıodo de reação inicial, o fluxo de calor decresce para valores baixos
e é iniciado o peŕıodo de dormência. Neste peŕıodo ocorre uma redução da atividade
qúımica.
A taxa de dissolução do C3S desacelera rapidamente enquanto a solução ainda
está subsaturada (BULLARD et al., 2011).
Os mecanismos da desaceleração precoce das reações do C3S têm sido estudados
nos últimos anos. Ainda segundo o autor, existem algumas hipóteses para explicar
esse mecanismo de desaceleração precoce.
� Hipótese da barreira metaestável,
� Hipótese da etapa de dissolução lenta.
Na hipótese da barreira metaestável, a desaceleração é ocasionada pela formação
rápida de uma camada metaestável de silicato de cálcio hidratado, C − S − H,
restringindo o acesso à água ou dificultando a difusão dos ı́ons da solução. A camada
10
de C−S−H alcança o equiĺıbrio com a solução no fim do peŕıodo de reação inicial.
Nesta hipótese se assume que a taxa de dissolução de C3S continuaria sendo rápida,
durante o peŕıodo de reação inicial, até em concentrações mais elevadas de cálcio e
silicatos se não fosse pela formação da camada de C − S − H. Por outro lado, na
hipótese da etapa de dissolução lenta, a desaceleração da taxa de dissolução do C3S
ocorre rapidamente devido a outros fatores. A solubilidade do C3S decresce muito
rapidamente devido ao incremento de ı́ons na solução. A reação inicial é baseada no
equiĺıbrio das reações de dissolução do C3S e o lento crescimento do C − S −H. A
taxa de dissolução reduz rapidamente com o aumento de concentração de hidróxido
de cálcio devido a dissolução.
No peŕıodo III, de aceleração, ocorre um acréscimo no fluxo de calor devido
a hidratação do C3S e rápida formação de CH e C − S − H. A expressiva e
rápida formação de compostos hidratados promove o desenvolvimento das primeiras
resistências mecânicas e a diminuição acentuada da porosidade ROCHA (2015). O
peŕıodo de aceleração consiste em um mecanismo de nucleação e crescimento dos
produtos hidratados.
Por fim, no peŕıodo de desaceleração, ocorre o desenvolvimento da resistência
a longo prazo. Existem várias hipóteses que explicam a redução da taxa de hi-
dratação do C3S no peŕıodo de desaceleração. A hipótese mais antiga sugere que
essa redução pode ser explicada pelo processo de difusão na qual se observa a redução
da hidratação dos grãos devido a formação de uma rede espessa formada pelos pro-
dutos hidratados. Entretanto, segundo BULLARD et al. (2011), novas teorias
estão sendo estudadas para explicar esse fenômeno como por exemplo, a redução na
quantidade de água e espaço dispońıveis para a produção dos produtos hidratados.
Para as reações relacionadas a hidratação do C3A, na ausência de sulfato de cálcio
a reação é extremamente rápida. Diferentemente do que ocorre com o processo de
hidratação da alita, não existe o peŕıodo de reação lenta e a pega é quase instantânea.
Os produtos de reação são os compostos metaestáveis: hidróxido de alumı́nio e AFm.
Após um peŕıodo de tempo esses produtos se formam estáveis. Ao se adicionar
gesso no cimento, a reação de hidratação do C3A é drasticamente alterada. O
fluxo máximo de calor liberado corresponde ao consumo total de sulfato de cálcio,
o qual faz com que a hidratação das fases aluminato acelerem significantemente. O
principal produto de hidratação formado neste tempo é aetringita formada a partir
do sulfato absorvido no C − S − H. Inicialmente ocorre uma grande liberação de
calor que decresce rapidamente em alguns minutos. Após o consumo total de sulfato
de cálcio adicionado, a taxa de reação aumenta novamente e o principal produto da
reação de hidratação é o monosulfoaluminato de cálcio que corresponde ao pico
mais baixo e amplo no termograma. Segundo BULLARD et al. (2011) existem
três teorias para explicar o ”atraso”na reação inicial de hidratação C3A quando é
11
adicionado gesso a mistura seca.
� A formação da etringita desacelera a reação de hidratação do grão de C3A
devido o impedimento espacial na superf́ıcie do grão;
� A formação de outras fases como AFm desacelera a reação de hidratação do
grão de C3A devido o impedimento espacial na superf́ıcie do grão;
� A reação é retardada devido a adsorção de algum soluto resultante da dis-
solução do sulfato de cálcio.
A figura 2.2 ilustra a curva calorimétrica da reação de hidratação de uma pasta
de cimento Portland com os principais picos de calor exotérmico.
Figura 2.2: Curva calorimétrica da hidratação de uma pasta de cimento Portland.
Hidratação da fase de silicato de cálcio
O silicato tricálcico também conhecido como Alita, é o principal constituinte do
cimento e é responsável pelo controle da pega e do desenvolvimento de resistência
inicial do cimento. Esse composto possui a segunda maior velocidade de hidratação.
O grão de C2S possui a menor taxa de hidratação e é responsável pela resistência
final da pasta de cimento. Os produtos de hidratação do C3S e C2S consistem de
12
silicato de cálcio hidratado e hidróxido de cálcio cristalino (portlandita) (equações
2.1 e 2.2).
2C3S + 6H → C − S −H + 3CH (2.1)
2C2S + 4H → C − S −H + CH (2.2)
O silicato dicálcico se hidrata formando os produtos: gel de tobermorita ou
fase C − S − H e hidróxido de cálcio. O silicato de cálcio hidratado é o principal
responsável pelas propriedades ligantes dos cimentos. O gel de tobermorita varia sua
composição ao longo da hidratação tanto em função do tempo como da temperatura
em que se dá a hidratação e também em função do silicato (C3S ou C2S) que está
sendo hidratado. O C − S − H é um composto amorfo enquanto a portlandita é
cristalina e se apresenta em forma de placas hexagonais. Enquanto a hidratação
doC3S é mais rápida, a do C2S pode durar anos. A hidratação do C3S libera mais
hidróxido de cálcio do que o C2S. A rede cristalina formada durante esta hidratação
é principal responsável pela resistência mecânica do cimento (DE SOUZA et al.,
2015a).
Hidratação da fase aluminato, sulfato e ferrita
Já o C3A é o composto do cimento que possui a maior velocidade de hidratação. A
reação de de hidratação C3A sem a adição de gesso ocorre conforme as equações 2.3
e 2.4.
2C3A+ 27H → C2AH8 + C4AH19 (2.3)
C2AH8 + C4AH19 → 2C3AH6 + 15H (2.4)
A fim de evitar a pega instantânea (flash set) é adicionado gesso com concen-
tração entre 3% e 5% durante a fabricação do cimento para retardar a hidratação
desse composto e evitar a pega instantânea da pasta de cimento. A fase aluminato,
especialmente o C3A, é a mais reativa em tempos curtos de hidratação. Segundo
MIRANDA (2008) apesar do pequeno teor da fase aluminato, esta fase exerce
uma grande influência nas propriedades reológicas da pasta de cimento e no
desenvolvimento inicial de resistência da pasta de cimento endurecida. O sulfato
de cálcio dissolvido em água reage rapidamente com o C3A. Os ı́ons cálcio
e sulfato em solução reagem com os ı́ons aluminato e hidroxila liberados pelo
aluminato tricálcico formando o trissulfoaluminato de cálcio hidratado, conhecido
por etringita (equação 2.5). Quando todo o gesso é consumido e o ı́on sulfato não
13
se encontra mais dispońıvel em solução, a etringita se torna instável e se converte a
monossulfoaluminato de cálcio (MIRANDA, 2008) (equação 2.6).
C3A+ 3CS̄H2 + 26H → C3A.3CS̄H32 (2.5)
C3A.3CS̄.32H + 2C3A+ 4H → 3C3A.CS̄.12H (2.6)
Formação de Hidróxido de Magnésio
A formação do hidróxido de magnésio, Mg(OH)2, também conhecido como Brucita,
é observada durante o processo de hidratação de pastas de cimento Portland que
contenham alta concentração de Óxido de Magnésio ou em pastas de cimento curadas
que foram atacadas por sais de magnésio.
Durante o processo de hidroxilação do magnésio para a formação da Brucita,
ocorre uma significativa expansão volumétrica que pode tensionar a estrutura cau-
sando danos mecânicos a estrutura (ARRUDA, 2014).
O mecanismo de ataque por sulfatos de magnésio em materiais ciment́ıcios pro-
posto por SANTHANAM et al. (2002) inicia-se com a penetração da solução de
sulfato de magnésio no interior do material ciment́ıcio formando uma camada de
brucita e gipsita na superf́ıcie do corpo de prova. A reação para formação de bru-
cita consome muita portlandita reduzindo o pH da pasta. Com o propósito de
equilibrar o pH do meio, o C-S-H inicia a liberação de portlandita e esse processo é
conhecido como descalcificação da estrutura. A velocidade de difusão da solução de
sulfato de magnésio para o interior do material é reduzida devido ao impedimento
espacial da camada de gel impermeável de brucita. Em seguida, ocorre a formação
de etringita e gipsita na superf́ıcie do corpo de prova (sob a camada da brucita), que
promove a expansão e induz tensões internas nas camadas inalteradas resultando
em fissuração na região. Em algumas regiões, pode ocorrer a degradação do C-S-H
diretamente pelo reação com o ı́on magnésio resultando em perda de resistência e
degradação da pasta. A figura 2.3 apresenta um modelo esquemático do ataque de
solução de magnésio em materiais ciment́ıcios.
14
Figura 2.3: Modelo de ataque de soluções de magnésio em materiais ciment́ıcios
(DE SOUZA, 2006).
A reação de formação de brucita em pastas que contenham óxido de magnésio em
sua formulação está representado pela equação 2.7. O óxido de magnésio reage com
a solução aquosa da mistura ciment́ıcia para produção do hidróxido de magnésio.
MgO +H2O →Mg(OH)2 (2.7)
Segundo BONEN e COHEN (1992), o efeito deletério dessa reação é devido à
decomposição do C-S-H em M-S-H. O ataque por sulfato de magnésio pode ser mais
severo que o ataque por solução de sulfato de sódio por causa da descalcificação do
C-S-H, que reduz as resistências mecânicas e degradação da pasta (DE SOUZA,
2006).
A formação da brucita pode ser verificada através de ensaios de análise térmica.
SCRIVENER et al. (2016), apresentou algumas curvas t́ıpicas de análises de DTG.
Na ilustração da figura 2.4 é posśıvel identificar um pico em aproximadamente 460°C,
que corresponde a de perda de massa resultante da desidroxilação da brucita.
15
Figura 2.4: DTG da Portlandita, CH; brucita, MH, carbonato de magnésio e calcita
SCRIVENER et al. (2016).
2.1.2 Aditivos
É necessária a utilização de aditivos na pasta de cimento, em uma operação de
cimentação devido às limitações operacionais e as caracteŕısticas do poço. Dessa
forma, as pastas de cimento devem ser projetadas para apresentar propriedades
espećıficas tanto durante o estado ĺıquido (durante a fase de bombeio), quanto no
estado sólido (após a fase de cura). Nesse contexto, a seguir são descritas algumas
exigências para as pastas de cimento, de forma geral.
� Ser bombeável durante o tempo necessário para sua colocação sob condições
particulares, isto é, no estado ĺıquido a pasta deve apresentar massa espećıfica
e propriedades reológicas que atendam a janela operacional e atendam às
exigências de substituição do fluido de perfuração;
� Manter as suspensões estáveis;
� Apresentar tempo de espessamento longo o suficiente para completar a
operaçãode bombeio da pasta até a posição desejada no poço e desenvolvi-
mento da resistência dentro do tempo necessário para a retomada da operação;
� Manter aderência mecânica ao revestimento e a formação;
� Manter o isolamento das formações, isto é, a pasta deverá ter baixa permeabili-
dade, e ser resistente às condições do fundo de poço de pressão e temperatura.
Para que a pasta de cimento atenda aos requisitos mencionados acima são
necessários alguns cuidados no projeto e na execução da cimentação primária,
como a escolha dos aditivos, bem como as quantidades adicionadas à pasta,
que dependem das propriedades individuais de cada poço.
16
Com isso, existem vários aditivos espećıficos para modificar e/ou melhorar as
propriedades da pasta, que serão apresentados a seguir.
Retardadores
São aditivos usados para aumentar o tempo de pega da pasta de cimento para que
tenha durante a operação de cimentação tempo suficiente para posicionar a pasta na
profundidade desejada e retirar a coluna de trabalho. Esses aditivos não diminuem
o valor da resistência à compressão final da pasta de cimento, mas sim, reduz a
taxa de desenvolvimento desta resistência. Segundo NELSON e GUILLOT (2006),
estes aditivos inibem a liberação do hidróxido de cálcio. O tempo de espessamento é
diretamente influenciado pela temperatura e pressão a qual a pasta estará submetida.
Desta forma, para se definir a quantidade de aditivo a ser adicionada à pasta deve-se
estimar corretamente a pressão, temperatura e tempo de bombealidade.
Dispersantes
Pastas de cimento são dispersões bastante concentradas de sólidos em água. As
propriedades reológicas das pastas de cimento irão depender principalmente da con-
centração de sólidos, da temperatura, das interações entre as part́ıculas e da con-
centração de aditivos orgânicos como os controladores de filtrado.
Os dispersantes são utilizados para melhorar a reologia da pasta para efetuar seu
bombeamento a vazões mais baixas e com menores perdas de carga. Ou seja, esses
aditivos reduzem a viscosidade aparente, o limite de escoamento e a força gel das
pastas. Desta forma, facilitam a mistura da pasta, reduzem a fricção e permitem o
preparo de pastas de alta densidade (LIMA, 2007).
Sem a utilização dos aditivos, as pastas de cimento podem não ter proprieda-
des reológicas adequadas para a mistura em superf́ıcie e o deslocamento em poços
de petróleo. Como exemplo, durante a cimentação frente as formações geológicas
frágeis, uma pasta com a viscosidade muito alta pode fazer com que a pressão no
fundo do poço ultrapasse a pressão de fratura da formação durante o bombeio.
As interações entre as part́ıculas em suspensão influenciam na reologia da pasta.
Essas interações são função da distribuição de carga na superf́ıcie dos grãos de ci-
mento. Os dispersantes ajustam as cargas da superf́ıcie para se obter as propriedades
reológicas desejadas. Sem dispersante, os grãos de cimento, que são carregados ne-
gativamente, tendem a se aglomerar devido à presença de ı́ons cálcio bivalentes na
solução. Os dispersantes são adsorvidos na superf́ıcie dos grãos de cimento, impe-
dindo a sua ligação, devido o impedimento espacial (DE SOUZA et al., 2015b).
O mecanismo de atuação dos dispersantes está baseado no equiĺıbrio eletrostático
das part́ıculas de cimento. Quando o cimento e água são misturados, forma-se dis-
17
persão onde a água é a fase cont́ınua e o cimento é a fase dispersa. Em condições nor-
mais, as part́ıculas estão carregadas positiva e negativamente de forma balanceada,
havendo um equiĺıbrio entre as forças que unem as part́ıculas (forças de coesão), e as
forças que separam as part́ıculas (forças de repulsão). Nessa interação eletrostática
entre as part́ıculas os grãos rearrumam-se entre si, formando agregados das mais
diferentes configurações. Este estado é conhecido por floculação. Esses agregados
contém água intersticial, resultando num aumento de volume da fase dispersa. O
volume da fase dispersa é o principal fator que determina a reologia de uma dis-
persão. Assim, uma grande quantidade de part́ıculas agregadas corresponde a uma
grande quantidade de água aprisionada, e consequentemente a uma alta reologia da
pasta. Esse estado de floculação pode ser destrúıdo pela adição de dispersantes, que
elimina a interação entre as part́ıculas, liberando a água trapeada entre os grãos e
a reologia da pasta diminui (DE SOUZA et al., 2015b) e (ROCHA, 2015).
Controladores de Filtrado
São aditivos utilizados para controlar a quantidade de água perdida, por filtração
pela pasta de cimento, para as formações permeáveis, ou seja, manter a razão
sólido/ĺıquido na pasta durante o tempo de colocação e o tempo de cura. Os con-
troladores de filtrado evitam a desidratação prematura da pasta e reduz os danos
causados pela filtração na formação.
Anti-Espumante
A incorporação de ar durante o preparo da pasta de cimento pode alterar o valor
de massa espećıfica da pasta medida na superf́ıcie. A pasta ao atingir o fundo
do poço apresentará uma massa espećıfica maior do que a medida na superf́ıcie
devido a compressibilidade do ar. O uso do aditivo antiespumante altera a tensão
superficial e/ou modifica a dispersão dos sólidos que poderiam estabilizar a espuma.
A redução da tensão superficial faz com que a peĺıcula de ĺıquido não consiga manter
o ar encapsulado e desta forma, a espuma se destrói.
Viscosificantes
A utilização do aditivo viscosificante é necessário para o controle das propriedades
reológicas e manutenção dos sólidos em suspensão. Podem ser do tipo solúveis em
água (poliacrilamida, derivados de celulose, goma xantana e outros biopoĺımeros),
bem como solúveis em óleo (argilas organof́ılicas).
18
Bloqueadores de gás
O principal componente utilizado nos aditivos para controle de migração de gás
(bloqueadores de gás) é o látex. A utilização do látex reduz a permeabilidade da
matriz ciment́ıcia e por consequência, diminui a comunicação entre os poros da ma-
triz durante a fase de transição cŕıtica do estado ĺıquido para o sólido. Durante a
hidratação da pasta de cimento, que contém látex, as part́ıculas poliméricas coales-
cem e aderem fortemente as part́ıculas de cimento e as outras part́ıculas presentes na
pasta. Além do látex outros materiais tem sido utilizados para prevenir a migração
de gás na pasta como a microsśılica ĺıquida e poĺımeros derivados do ácido acŕılico.
Aceleradores
Os aceleradores de pega são utilizados em uma pasta de cimento para acelerar o
tempo de pega da pasta. Ou seja, aumentam a taxa de hidratação do cimento
devido o carácter iônico da fase aquosa (NELSON e GUILLOT, 2006). Os principais
componentes do cimento se hidratam mais rapidamente resultando na liberação de
portlandita e formação do gel C−S−H que é responsável pela pega do cimento. Esse
aditivo é utilizado, por exemplo, em operações de cimentações em profundidades
menores onde, devido à baixa temperatura, um tempo de espessamento seria muito
longo. Os aceleradores mais utilizados são os cloretos (sais) como o cloreto de sódio
e o cloreto de cálcio.
Resina Epóxi
As resinas epóxi são utilizadas como aditivos em pastas de cimento, pois apresentam
boa impermeabilidade à água e boa adesão entre a pasta e o revestimento do poço.
As resina epóxi possuem propriedades mecânicas superiores a da pasta de cimento
Portland e ao reagir com as moléculas orgânicas dos endurecedores promovem a
polimerização, tornando o composto resultante endurecido.
A baixa permeabilidade à água dos sistemas com resina protege a pasta dos
fluidos corrosivos, já que os demais tipos de materiais cimentantes são solúveis em
meio ácido. Sua caracteŕıstica hidrofóbica fornece a esses sistemaselevada resistência
à corrosão, que é um dos fatores determinantes para o aumento do tempo de vida
útil desses materiais TAVARES et al. (2010).
Agentes de expansão
O óxido de magnésio (periclásio) é utilizado como agente de expansão porque fornece
uma força expansiva dentro do matriz de cimento como resultado da hidratação e
formação do hidróxido de magnésio. O material hidratado ocupa mais espaço do que
19
os ingredientes originais. A equação da reação qúımica de formação do Mg(OH)2
(brucita) se encontra na equação 2.8.
MgO +H2O →Mg(OH)2 (2.8)
Sistemas de cimento contendo MgO demonstraram excelente desempenho ex-
pansivo na cura de temperaturas em altas temperaturas como 550°F (288°C). En-
tretanto, em temperatura abaixo de 140°F (60°C), a reação de hidratação é muito
lenta para demonstrar algum benef́ıcio NELSON e GUILLOT (2006). A concen-
tração de MgO necessária para fornecer expansão adequada varia dependendo da
temperatura de cura da pasta.
2.2 Cimentação Primária
A construção de um poço de petróleo consiste na realização de perfurações sequen-
ciais com diâmetros diferentes, sendo cada uma dessas perfurações denominada de
fase. Cada nova fase tem diâmetro inferior ao da fase anterior e em cada fase de
perfuração é uma realizada uma etapa de descida de revestimento seguida de uma
operação de cimentação. A etapa de descida de revestimento consiste na descida
de um tubo de aço que, entre outras finalidades, previne os desmoronamentos das
paredes do poço. Após a descida do revestimento, é realizada a cimentação do
espaço anular entre o revestimento descido e o revestimento anterior ou formação,
a cimentação é responsável pelo isolamento hidráulico das formações permeáveis. A
cimentação da fase ocorre desde a base do revestimento descido (sapata) até uma
altura definida em projeto do poço.
Dessa forma, a cimentação primária tem como objetivo estabelecer o isolamento
dos intervalos permeáveis, a sustentação do revestimento e a mitigação da corrosão
do revestimento por fluidos existentes no anular .
Com base no exposto, nota-se que a cimentação primária é uma etapa cŕıtica e
sua falha pode comprometer a vida útil do poço. Uma cimentação comprometida
pode resultar em migração de fluidos entre formações ou entre a formação e o meio
externo, comunicação de pressão de fundo do poço com a superf́ıcie, corrosão do
revestimento, entre outros problemas. Adicionalmente, uma operação de cimentação
malsucedida reduz o ciclo de vida do poço e implica em custos adicionais em sua
construção (CAPEX) e operação (OPEX).
Na figura 2.5 são caracterizados os problemas t́ıpicos de uma cimentação
primária.
Durante o processo de cimentação, a etapa de remoção do fluido de perfuração
do anular é cŕıtica, pois durante o bombeio existe o risco da pasta de cimento
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Figura 2.5: Falhas comuns na cimentaçãoTHOMAS (2001)
escoar através do fluido de perfuração e, consequentemente, pode haver a formação
de canais no espaço anular não cimentado. Por esse motivo, adota-se o bombeio
de colchões lavadores e colchões espaçadores, como forma de mitigar esse risco.
O colchão lavador costuma ter viscosidade e massa espećıfica inferior aos outros
fluidos. Devem ser adotados os seguintes procedimentos para evitar a formação de
canalização:
� Os fluidos devem ser projetados de forma que a viscosidade e massa espećıfica
do colchão espaçador sejam menores do que do cimento e maiores do que do
fluido de perfuração;
� Deve-se realizar a circulação do poço para retirar o máximo de cascalhos do
poço;
� Utilizar centralizadores no revestimento;
� Realizar movimento de rotação e reciprocação do revestimento durante o des-
locamento da pasta.
Durante a operação de cimentação devem ser observados os limites operacionais
da hidráulica do poço, isto é, a pressão deve estar contida entre os limites de pressão
inferior e superior (pressão de poros e pressão de fratura). Caso a pressão seja in-
ferior a pressão de poros, os fluidos da formação migrarão para o interior do poço
possibilitando a ocorrência de kicks. Ao exceder a pressão de fratura, os fluidos
do poço migrarão para a formação, resultando na diminuição do ńıvel estático e
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consequentemente resultando em trechos não cimentados, isto é, não isolados hi-
draulicamente.
2.3 Cimentação Secundária
A operação conhecida como cimentação secundária é destinada a correção da ci-
mentação primária. Por exemplo, se o topo do cimento não alcançar a altura dese-
jada ou quando é necessário complementar a cimentação primária com o propósito
de se estabelecer um CSB deve ser realizada a correção da cimentação. As técnicas
mais utilizadas para correção são: a recimentação e a compressão de pasta de ci-
mento/blend (squeeze).
2.3.1 Recimentação
É uma operação de correção da cimentação primária quando o topo da pasta de
cimento não está posicionado na altura projetada no anular. O revestimento é
canhoneado em dois pontos e a recimentação ocorre quando se consegue circular a
pasta pelo anular, através destes canhoneados. Para possibilitar a circulação com
retorno, a pasta é bombeada através da coluna de perfuração que possui um packer
permitindo a pressurização necessária para a movimentação da pasta pelo anular.
2.3.2 Squeeze
A operação de compressão de pasta de cimento ou também conhecida como Squeeze
de cimento, consiste na injeção forçada da pasta de cimento (ou material cimentante
similar) sob pressão, visando corrigir localmente a cimentação primária, obstruir
furos no revestimento ou impedir a produção de água em intervalos que originalmente
produziam óleo/gás.
Para realizar o squeeze é necessário identificar o local que se deseja realizar
o isolamento para que desta forma, seja bombeada a pasta a partir do sistema de
superf́ıcie. A injeção da pasta sob pressão contra uma formação permeável, ocasiona
a perda de filtrado e consequentemente ocorre a formação de um reboco de baixa
permeabilidade isolando o canhoneado. A figura 2.6 ilustra um esquema de uma
operação de squeeze.
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Figura 2.6: Esquemático de uma operação com squeeze (COSTA, 2004).
Na operação de squeeze, a pasta é comprimida aumentando-se gradativamente
a pressão. A pressão de compressão não deve ultrapassar a pressão de fatura da
formação. São realizados os registros das pressões na superf́ıcie, em uma carta de
pressão para o acompanhar a operação. Quando a filtração da pasta estiver reduzida
a pressão é praticamente estabilizada indicando o fim da operação THOMAS (2001).
A desvantagem desse método é a possibilidade de haver excesso de pasta no interior
do anular acima do packer.
2.4 Tamponamento de poços
A operação de tamponamento de poços constitui no bombeio de um volume de pasta
para o interior do poço com o objetivo de isolar um determinado trecho do poço.
O tamponamento do poço é realizado em caso de perda de circulação, como base
para desvios, abandono permanente ou temporário do poço, etc. O objetivo dos
tampões é a consolidação de uma barreira sólida que impossibilite a comunicação
entre os fluidos da formação com a superf́ıcie .A colocação de tampões de cimento
ou material similar, no interior de poço, é normalmente realizada, por exemplo,
em campanhas de abandono de poços, temporário ou permanente. Neste trabalho,
foram estudados materiais tamponantes para as operações de abandono que atuam
como um elemento de barreira de um CSB.
Os métodos mais utilizados para a execução de uma operação de tamponamento
de poços são: tampão balanceado e injeção direta. Entretanto, existem outras
metodologias que serão discutidas a nessa seção.
2.4.1 Tampão Balanceado
O tampão